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MECATRÓNICA EN UN 
PROYECTO REAL
Asignatura: Mecatrónica
Grado en Ingeniería de Robótica SoftwarePARTE I :
DEFINICIONES Y MODELO
Prof. Juan Sebastián Cely Gutierrez Fecha: 2023/2024
1. DEFINICIONES
A la der.: robot con patas de Unitree en 
el IROS2018
A la izq.: DarwinOP en SOFA2014
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Definición de Mecatrónica
● “The application of complex decision making to the operation of 
physical systems.” - D. M. Auslander 
● "Es la integración de la ingeniería mecánica con la electrónica y 
el control de una computadora inteligente en el diseño y 
fabricación de productos y procesos industriales" - IEEE
● “La combinación sinérgica de la ingeniería mecánica de 
precisión, control electrónico y los sistemas inteligentes en el 
diseño de productos y procesos de manufactura.” - J. A. 
Rietdijk (IEEE/ASME)
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Ejemplos de Mecatrónica
A la izq.: Robótica móvil, incluso en escenarios complejos
A la der.: Manipuladores robóticos usados en la industria
2. DESCRIPCIÓN 
UDRONE
Arriba: Prototipo robot de la patente 
ES2525773A1
Abajo: Prototipo sistema de recolección 
bajo el agua
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Problema 
● Existen territorios en el planeta en el cual las condiciones para el cultivo no 
son las ideales y su población pasa hambre, datos según FAO.
● Tener “cultivos” en el agua puede permitir usar superficies donde 
tradicionalmente no se cultiva.
● Ya hay propuestas para hacer uso de productos extraídos de cultivos bajo el 
agua con calidades elevadas para consumo humano.
● A los buzos les cuesta trabajar a mucha profundidad, además que son tareas 
repetitivas y riesgosas.
https://time.com/5926780/chef-angel-leon-sea-rice/
https://www.fao.org/state-of-food-security-nutrition/2021/en/
7
Underwater Vehicle-Manipulator System 
● Un Sistema Subacuatico Vehículo-Manipulador (UVMS) 
● La necesidad de tener una plataforma robótica móvil subacuatica 
con capacidades de manipulación.
● Definición no exclusiva, un ROV con un brazo es un UVMS.
7
Girona 500
OceanOne
Cable
Impulsores
ROV
Cámaras
Luces
Brazos
Garras
https://www.ecagroup.com/en/find-your-eca-solutions#maritime
https://news.stanford.edu/2022/07/20/oceanonek-
connects-humans-sight-touch-deep-sea/
https://www.doi.org/10.1109/
IROS.2014.6942870
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Justificación
● Basados en la experiencia del grupo de investigación en lo referente a 
robots subacuáticos, se propuso un sistema robótico heterogéneo.
● Problemas en: 
– La manipulación de pequeños objetos
– Desplazamientos cortos
Fuente de 
potencia
Antenas
Plataforma 
de 
superficie
Impulsores
Drones
P. R. J. Saltaren, G. J. S. Cely, B. A. Rodriguez, T. G. A. Portilla, y O. Yakrangi, 
«Sistema subacuatico para labores de acuicultura», ES2729816B2
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Objetivos
● Diseño y construcción de un robot submarino y subactuado para 
tareas de manipulación y supervisión.
● Obtención del modelo dinámico de un robot submarino subactuado 
para el análisis de estabilidad y controlabilidad con su posterior 
validación.
● Diseño e implementación de estrategias de control de profundidad 
y orientación para un robot subactuado.
● Diseño e implementación de estrategias de control para lograr 
agarrar objetos bajo el agua.
● Implementar una estrategia de control y supervisión del robot a 
través de internet
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Metodología
● Metodología en ingeniería: Se llevo a cabo el desarrollo 
experimental usando la metodología Top-Down. Dicha 
metodología es ampliamente usada en proyectos de desarrollo 
en los cuales a medida que se van alcanzando metas de 
desarrollo se van generando nuevos problemas a solucionar.
● Metodología científica: Para este caso se tiene un 
planteamiento donde se plantea una hipótesis frente a si el uso 
de un modelo más cercano al modelo real del robot se puede 
desarrollar técnicas de control con mejores prestaciones. Con ello 
desarrollando un experimentos para validar aproximaciones 
desde lo teórico permitirá validar dicha hipótesis.
3. MODELADO
Diagramas de fuerzas de 
diferentes subsistemas del robot 
para ser modelados 
12
Nomenclatura
● Para el caso de un robot con 
forma de drone, se define unos 
sistemas de referencia y unos 
valores de los estados asociados 
a posiciones y velocidades 
referentes a un sistema de 
referencia dado(cuerpo, inercial).
DOF Fuerzas y 
Momentos
Velocidades Posiciones y 
ángulos
1 Movimiento en dirección x (surge) X u x
2 Movimiento en dirección x (sway) Y v y
3 Movimiento en dirección x (heave) Z w z
4 Rotación en torno al eje x (roll, heel) K p φ
5 Rotación en torno al eje y (pitch, trim) M q θ
6 Rotación en torno al eje z (yaw) N r ψ
13
Cinemática
● Para describir la cinemática de este solido se hace el uso de la 
nomenclatura SNAME.
● Las posiciones y orientaciones están basadas en el sistema de 
referencia inercial.
● Las velocidades en el sistema de referencia del cuerpo.
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Cinemática 6DOF - I
● La combinación de los elementos de posición y velocidad permiten tener una 
expresión que relacione los 6 grados de libertad. 
● Las matrices son matrices cuadradas de ceros de orden 3.
● La inversa de la matriz T tiene una singularidad en cuando 
Nota: Para evitar las singularidades, se debería usar una notación diferente 
de la orientación, por ejemplo Quaternios. 
η−1
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Cinemática 6DOF - II
● Al hacer uso de Quaternios, la cinemática se para 6 DOF se tiene 
que reescribir.
● Con esto se asegura que no se tengan singularidades pero ahora 
la representación no queda de rango 6x6
● Una vez se tenga la representación en Quaternios se puede 
seguir con el desarrollo normal del modelo.
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Dinámica - I
● ara obtener los valores de las fuerzas se define la implicación de 
los valores de las velocidades longitudinales y las orientaciones 
respectos a los centros de masa.
● Se puede hacer una representación usando combinaciones de las 
velocidades del cuerpo.
● Para el caso de los pares también se puede generalizar de dicha 
manera
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Dinámica - II
● Se puede hacer la representación de fuerzas y pares en una 
forma canónica en la cual se agrupan valores de acuerdo a 
componentes de masa y de efecto Coriollis.
● La matriz de masas debe ser definida positiva.
● La matriz de Coriollis estará en función de parámetros de la 
matriz de masas.
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Coeficientes Hidrodinámicos - I
● Existen varios efectos hidrodinámicos que afectan a los cuerpos 
rígidos sumergidos en el agua. 
● Para este caso se trataran el efecto de la masa añadida y el de el 
coeficiente de fricción viscosa.
● En una simulación CFD se puede determinar parámetros de este 
tipo, sin embargo están supeditados a la geometría del cuerpo.
Sentido de desplazamiento 
del robot
Sentido de desplazamiento 
del robot
Sentido de 
desplazamie
nto del robot
19
Coeficientes Hidrodinámicos - II
● Los efectos hidrodinámicos pueden ser modelados a partir de los efectos de la 
masa añadida, los efectos de Coriollis añadido y el coeficiente de fricción 
viscoso del fluido.
● La masa añadida es un componente de los efectos hidrodinámicos en los 
cuales el agua circundante al cuerpo ejerce un efecto análogo a como si se 
tuviera una masa de más en el desplazamiento.
● El coeficiente de fricción viscoso genera unas no linealidades al ser un 
valor que se encuentra en función del cuadrado de la velocidad, también 
puede ser modelado como la combinación lineal de dos componentes de 
fricción.
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Obtención de Coeficientes
● Para el proceso de obtención de coeficientes hidrodinámicos se 
hace una captura de datos con modelos a escala, en dos tipos 
diferentes de experimentos. Haciendo un ajuste a un modelo 
teórico aproximado y así obteniendo los coeficientes.
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Free Decay - Muelle
Se elaboraron unos bancos de pruebas para la 
obtención de los coeficientes a partir de 
modelos a escala. Los bancos de pruebas 
estaban basados en experimentos de caída libre 
amortiguada. La posición del modelo a escala 
representaba una posición que era descrita por 
un modelo deseado y así se permitía hacer el 
proceso de identificación.
La respuestaa esta caída libre 
amortiguada respondía a una 
dinámica de segundo orden con un 
coeficiente no lineal. Esta 
identificación permitió la obtención 
de los coeficientes hidrodinámicos. 
J. S. Cely, R. Saltaren, G. Portilla, O. Yakrangi, y A. Rodriguez-Barroso, «Experimental and Computational 
Methodology for the Determination of Hydrodynamic Coefficients Based on Free Decay Test: Application to 
Conception and Control of Underwater Robots», Sensors, vol. 19, n.o 17, p. 3631, ene. 2019
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Free Decay - Péndulo
Otro experimento realizado para la obtención 
de los coeficientes uso otro banco de prueba 
basado en la caída libre de un péndulo. Con 
esta experimentación se obtenían los valores 
de los coeficientes hidrodinámicos.
La experimentación tenía la captura 
de datos basada en comunicar los 
valores de los sensores, capturarlos y 
almacenarlos usando ROS, para 
finalmente post-procesarlos usando 
Matlab.
J. S. Cely, R. Saltaren, G. Portilla, O. Yakrangi, y A. Rodriguez-Barroso, «Experimental and Computational 
Methodology for the Determination of Hydrodynamic Coefficients Based on Free Decay Test: Application to 
Conception and Control of Underwater Robots», Sensors, vol. 19, n.o 17, p. 3631, ene. 2019
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Efectos Gravitatorios
● Dentro de los efectos 
gravitatorios, el más llamativo es 
el del peso. Sin embargo, cuando 
el cuerpo está sumergido en un 
fluido se genera otro efecto 
gravitatorio importante: la 
flotabilidad.
● Una forma de generalizar estos 
efectos es a partir de la 
implicación que tiene en el punto 
de aplicación.
● com = centro de masa
● cob = centro de flotación
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Matriz de Impulsores
● Permite relacionar la ubicación de impulsores con el sistema de 
referencia del robot.
● Relaciona los actuadores con parámetros geométricos del robot.
● La matriz de ubicación de los impulsores se conoce con otros 
nombres como Control Mixer, Thruster Allocation matrix
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Modelo Matricial Completo
● Se puede concentrar la información del modelo en una expresión 
matricial que contenga todos sus componentes
● Si se desea se puede expresar de tal manera que este en función 
del sistema de referencia inercial
Dinámica de cuerpo 
rígido
Efectos 
Hidrodinámicos
Efectos 
Gravitacionales
Entrada
MUCHAS GRACIAS
POR SU ATENCIÓN
Juan Sebastian Cely Gutierrez
Ph.D. en Automática y Robótica
Profesor Ayudante Doctor
juan.cely@urjc.es
https://juanscelyg.github.io
Fuenlabrada, Madrid, España
mailto:juan.cely@urjc.es
https://juanscelyg.github.io/
MECATRÓNICA EN UN 
PROYECTO REAL
Asignatura: Mecatrónica
Grado en Ingeniería de Robótica SoftwarePARTE II :
MECÁNICA Y ELECTRÓNICA
Prof. Juan Sebastián Cely Gutierrez Fecha: 2023/2024
3. DISEÑO 
MECÁNICO
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Material, Geometría y Forma
● Se ha optado por un diseño de tipo modular, ya que se plantea poder añadir nuevos 
elementos en la estructura base. Es por eso que cada modulo está compuesto por un 
nuevo submodulo de un diseño fabricado por la fresa CNC.
● El material elegido para este caso es PVC-U (Cloruro de Polivinilo), cuya presentación 
es en planchas de diferente grosor, para le caso particular se eligió planchas de 1 cm de 
grosor, lo que facilitó el diseño y fabricación de las piezas. La unión entre los diferentes 
elementos es a través de tornillos de acero inoxidable DIN 912. 
Marco compuesto 
por dos unidades 
modulares
Soportes 
de los 
impulsores
Unidad Modular
30
Elementos Prefabricados
● Para los recipientes estancos, donde va a ir alojada la mayor cantidad de electrónica del 
robot se ha optado por dispositivos de la empresa BlueRobotics. Dichos elementos 
cuentan con todos los accesorios para poder interconectar elementos a través de 
penetradores de sus tapas. La profundidad garantizada es de 150 metros.
● Los accesorios ofrecidos para estos dispositivos varían desde las tapas que pueden ser 
en acrílico o en aluminio, los soportes toroidales para garantizar la estanqueidad y los 
penetradores que pueden ser de varios tipos.
Tapa de acrílico
Tubo de 
acrílico
Tapa de acrílico 
Soporte de 
toroides
Tapa
Penetradores x 10
31
Diseño Estructural
● Es cierto que la fuerza para el desplazamiento la van a ejercer impulsores. La 
orientación de los impulsores puede contribuir en mayor o menor medida a otro tipo 
de desplazamientos debido a la cinemática del cuerpo sumergido.
● Para ello se ha concebido la idea de poder reorientar los impulsores a conveniencia 
de la aplicación. Para tal fin se propone un punto de articulación que se encuentra 
fijo en función de 5 diferentes inclinaciones elegidas para los impulsores.
5 diferentes 
orientaciones 
para 
impulsores
32
Fabricación
● Para la fabricación del robot, se usaron equipos que el grupo 
posee como los son impresoras 3D y una Fresadora CNC. El uso 
de estos equipos reduce los costes de fabricación del prototipo.
33
Ensamble
● Teniendo todas las piezas tanto las diseñadas como las 
adquiridas, se hace el ensamble de las piezas, obteniendo 
como tal la estructura base donde irán la electrónica y los 
actuadores.
4. DISEÑO 
ELECTRÓNICO
Interior de los dos cilindros estancos 
usados para llevar la electrónica dentro 
del robot.
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Ordenador a bordo
● Se ha planteado el uso de un 
esquema en donde un ordenador 
central distribuye datos y recopila 
información desde los sensores. 
● Se ha usado a su vez una tarjeta de 
autopiloto. Los sensores usados 
fueron:
● Sonar
● Cámaras
● Profundidad
● Fugas
Sistema de 
Manipulación
Sistema de 
Sensado
Sistema 
de 
Actuación
Potencia a 24V
Potencia a 12V
Conversor 
de Voltaje 
Cilindro principal
Cilindro Auxiliar
36
Autopiloto
● Para este caso se requería de una 
tarjeta que fuese capacidad de 
gestionar las señales provenientes 
de la IMU y enviar información a 
los actuadores o en su defecto una 
señal de control.
● Se eligió el PixHawk debido a que 
cuenta con software capaz de 
realizar las tareas requeridas 
además de tener las interfaces 
necesarias para poder conectar la 
mayor cantidad de dispositivos 
presentes en la arquitectura 
propuesta.
Cámara 
frontal
Cámara 
inferior
Sensor de 
profundidad
Sensor 
de fugas
E/S Digitales
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Sensor de fugas y profundidad
● Para evitar tener fugas en los recipientes 
estancos, se ha elegido un sensor que tiene 
la capacidad de detectar en 4 puntos 
diferentes las fugas. Dichas fugas se 
detectan generando continuidad en cada 
uno de los puntos de medición. La 
comunicación de la señal de fuga es 
enviada como un valor digital.
● EL sensor de profundidad elegido 
corresponde al sensor Bar30 de la empresa 
BlueRobotics. Este sensor cuenta con la 
capacidad de medir hasta 300 metros de 
profundidad con una resolución de 2 
milímetros La información que enviá lo hace 
a través del protocolo i2C.
38
Sonar
● Se opto por un sonar de barrido 
lateral que usa tecnología CHIRP 
centrada a 700KHz. Este se puede 
conectar usando RS232/RS485
● Puede medir en 360 grados hasta 
una distancia de 75 metros de 
longitud. La profundidad de trabajo 
supera los 750 metros.
● EL voltaje de operación comprende 
12 – 48 VDC.
● El rango de resolución podría llegar 
a dar resultados de 7.5 mm
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Cámaras RGB
● Se han elegido dos cámaras 
RGB para tener capacidades de 
visión desde el robot.
● Para la parte frontal se ha 
elegido una cámara marca 
Genius con resolución 1080p.
● Para la parte inferior viendo 
hacia abajo se ha optado por 
una cámara web HP de 
resolución VGA (640x480).
40
Thrusters
Los impulsores seleccionados son los 
T200 de la empresa BlueRobotics. Estos 
impulsores se encuentran caracterizados 
por el fabricante y permiten tener la 
relación entre una señal de PWM y el 
empuje que realizan. Está relación tendrá 
que estar programa en el sistema de 
control del robot.
La relación del empuje y de la 
señal PWM es gestionada a nivel 
físico por la tarjeta del 
autopiloto, por lo que los 
impulsores reciben esta señal de 
control desde el autopiloto..
41
Estructura de Potencia
● Esquemade conexiones de la estación en tierra del robot. Las 
dos líneas de potencia y una de datos. A la estación en tierra le 
llega una linea de 220 Voltios, este deriva la potencia a cada una 
de las fuentes de potencia, una de 12 y otra de 24 voltios, a su 
vez que da energía al router y a los dispositivos que se conecten 
para operar el robot.
Estación en 
tierra
Fuente 
de 
potencia
Regleta 
de 
potencia
Fuente 
de 
potencia
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Pruebas del Prototipo
● Prototipo de UDRobot en diferentes escenarios: 
a) Con un gancho en la parte inferior, 
b) vista lateral en una prueba, 
c) vista lateral con el propulsor en diferente 
orientación, 
d) vista detallada del brazo que agarra una pelota, 
e) una inmersión con un buzo, 
f) llevar una botella con un gancho, 
g) agarrar una planta, 
h) agarrar una pelota, 
i) agarrar una botella.
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Reconocimiento Autodesk
● Autodesk nos hizo un reconocimiento por llevar a cabo todo el 
sistema CAE, el cual contempla diseño, simulación y fabricación 
asistida por ordenador.
https://www.autodeskjournal.com/y-si-los-robots-fueran-la-
solucion-a-la-acumulacion-de-basura-de-los-oceanos/
MUCHAS GRACIAS
POR SU ATENCIÓN
Juan Sebastian Cely Gutierrez
Ph.D. en Automática y Robótica
Profesor Ayudante Doctor
juan.cely@urjc.es
https://juanscelyg.github.io
Fuenlabrada, Madrid, España
mailto:juan.cely@urjc.es
https://juanscelyg.github.io/
MECATRÓNICA EN UN 
PROYECTO REAL
Asignatura: Mecatrónica
Grado en Ingeniería de Robótica SoftwarePARTE III :
SISTEMA DE MANIPULACIÓN
Prof. Juan Sebastián Cely Gutierrez Fecha: 2023/2024
5. SISTEMA DE 
MANIPULACIÓN
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Problemas de la transferencia de Potencia
● En la concepción del proyecto se ha propuesto un mecanismos de brazo robótico para ser 
acoplado en la parte inferior del robot. Esto permitiría dotar al robot de capacidades de 
manipulación. Sin embargo, los motores para cada articulación tendrían que estar expuestos 
al agua y a profundidades mayores a 5 metros durante periodos prolongados de tiempo.
● Es por esta razón que la transferencia de potencia en este caso se debería de hacer 
mediante un sistema que sea estanco y no permita que el agua acceda a su interior.
48
Sistema Propuesto
● Se ha propuesto un sistema donde un motor eléctrico de desplazamiento lineal transfiera 
la potencia a un actuador hidráulico El desplazamiento del fluido no comprensible se ve 
reflejado en un actuador hidráulico conectado al otro lado del conducto de aceite, donde 
dicho actuador está ejerciendo un movimiento a una carga previamente configurada.
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Testbench y Validación
● Se propuso como una plataforma de validación 
un esquema donde los cilindros están 
conectados por dos lineas hidráulicas 
● Un motor de desplazamiento longitudinal 
transfiere el movimiento al cilindro de entrada. 
Un sensor de longitud mide el desplazamiento 
del vástago del cilindro de salida. A su vez dicho 
motor contacta con una celda de carga para 
medir fuerza. 
● El motor es gestionado por una tarjeta Arduino 
que enviá señales a un driver propio del motor a 
pasos.
● El valor de la fuerza ejercida por el cilindro de 
salida es medido por una celda de carga que se 
mide usando una tarjeta de adquisición de 
voltaje diferencial, este es conectada a una 
MyRio de Ni. La cual es visualizada en Labview.
50
Identificación del Sistema
● El proceso de identificación se baso no solo en los 
desplazamientos de salida respecto a los de 
entrada, sino en la relación entre el desplazamiento 
en la entrada y la fuerza que se realiza en la salida.
● El sistema identificado es un sistema de segundo 
orden con sobre impulso que fue controlado con un 
controlador del tipo PD.
Imágenes tomadas del TFM de Jose Manuel Angosto : “DESARROLLO DE UN SISTEMA DE ACCIONAMIENTO ELECTROHIDRÁULICO PARA 
TRANSMISIÓN DE MOVIMIENTO EN ARTICULACIONES ROBÓTICAS”
51
Resultado y Análisis 
● Encontramos que los movimientos de los 
motores eléctricos podían desplazar el aceite en 
las lineas hidráulicas y así transferir la potencia 
mecánica al actuador distante. 
● Esto nos abrió la posibilidad de proponer esta 
metodología como una nueva forma de transferir 
potencia en mecanismos bajo el agua.
● El poseer dos grados de libertad más la garra era 
sobre-dimensionado, por lo que se tiene que 
reducir un grado para el sistema final.
● Las burbujas en las lineas hidráulicas generan 
perdidas de potencia ya que el aire en ellas es 
compresible. Se tiene que garantizar un sellado 
hidráulico además de si es posible contar con 
acumuladores en cada linea.
52
Patente
● En vista que se evidencio la utilidad 
del sistema propuesto para ser 
utilizado en condiciones 
subacuaticas. Se propuso hacer 
una patente para así proteger la 
nueva creación. 
● Aunque el sistema conserva cierta 
similitud con los que suelen usar 
los sistemas de las grúas o de las 
máquinas de la construcción, la 
ventaja es que no se requiere un 
sistema que garantice la presión en 
la linea hidráulica
1. Motor eléctrico 2. Reductor 3. 
Acople de ejes 4. Actuador Hidráulico 
de entrada 5. Conductos hidráulicos 6. 
Penetradores 7. Tapas para los 
cilindros 8. Actuador de salida 9. 
Conectores roscados estancos 10. 
Carga a mover 11. Ambiente 
peligroso 12. ToroidesP. R. J. Saltaren, C. C. E. Garcia, S. C. G. Juan, y F. J. M. Angosto, «Sistema de generación y transmisión de potencia mecánica para 
accionamiento de actuadores hidráulicos remotos», ES2884499A1
53
Dimensionamiento
● Las longitudes se eligieron de 
acuerdo a un dimensionamiento 
realizado en el software Geogebra. 
Con ello se realizaron varias pruebas 
respecto a la a los ángulos y 
longitudes requeridas.
● Las diferentes configuraciones de 
longitudes permitían elegir unas 
longitudes que satisfacen lo deseado 
en términos de operatividad.
● Este dimensionamiento solo permite 
elegir unas distancias y visualizar 
unos ángulos, pero en ningún 
momento es posible determinar 
fuerzas.
54
Dinámica del Mecanismo
● Para realizar el diseño geométrico del 
brazo, se opto por hacer una simulación 
dinámica y así dimensionar los motores, 
dicha simulación se realizo con el 
componente dinámico de Inventor 
Autodesk.
55
Selección de Motores
● La selección de motores estuvo basada en los valores más elevados del 
par que debería realizar cada uno de las articulaciones en el modelo 
dinámico aproximado.
● Para obtener los valores de más elevados se puede realizar de varias 
formas, siendo la de movimientos en situaciones extremos la usada para 
este caso. No es valido solo contemplar los valores estáticos
Motor BaseMotor Garra
56
Diseño mecánico
● Para este caso el diseño 
propuesto estuvo restringido a 
los valores estimados en la 
simulación dinámica. Sin 
embargo, fue un proceso 
iterativo con minimas 
correcciones.
● Los valores de la longitud de 
cada uno de los eslabones de 
la garra fueron pensados para 
que pudiera agarrar una esfera 
de 8 cm diámetro, el cual es un 
valor que coincide con los 
estándares de la ergonomía.
57
Diseño Electrónico
● Esquema donde se visualiza que componentes se encuentran 
dentro del cilindro de manipulación y cuales se encuentran en el 
exterior del robot.
58
Fabricación y Montaje
a) Vista superior del cilindro 
principal 
b) Vista inferior del cilindro 
principal 
c) Vista superior del cilindro de 
la manipulación 
d) Vista Lateral del cilindro de la 
manipulación 
e) Brazo y garra antes de ser 
instalados en el robot.
59
Validación
● Se logro hacer la 
implementación en el robot. 
Esto requirió insertar en el tubo 
dedicado a la tecnología del 
brazo toda la electrónica y 
sistemas de transmisión de 
potencia.
● El sistema permitía hacer los 
desplazamientos proyectados, 
lo que permitiría hacer la puesta 
ne marcha de las pruebas en el 
tanque.
6. SISTEMA DE 
CONTROL
Diagramas de fase para cada uno de los 
subsistemas analizados y controlados
61
Definición de pruebas
● Como un esquema general se planteo hacer un controladordesacoplado, ya que cada uno de los subsistemas obtenidos lo 
permite.
● Para el caso del Control Geométrico la implementación se hace 
solo en dos subsistemas.
Profundidad 
deseada
Orientación 
deseada
Controlador de 
profundidad
Controlador 
de Roll
Controlador 
de Pitch
Controlador 
de Yaw
Profundidad 
del robot
Pose 
del 
robot
62
Metodología
● Se plantearon dos metodologías para validar cada controlador.
1. Como reacciona frente a una perturbación.
2. Como es capaz de seguir trayectoria para cada estado.
● A su vez cada metodología consistía en 3 pasos (Inicio, Ejecución 
y Fin), cada uno con tiempos delimitados.
Mando 
operado por 
el piloto
Estación en 
tierra
63
Acceleration Feedback Controller - I 
● El controlador por realimentación de la aceleración consiste en 
un controlador de tipo Proporcional-Derivativo con una 
realimentación de aceleración y una compensación de la 
entrada. 
● Este controlador no es aplicable a modelos con efectos cruzados.
Fuente: Thor I. Fossen. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and 
Motion Control. Wiley, May 10, 2021. 700 pp. isbn: 978-1-119-57505-4
64
Acceleration Feedback Controller - II 
● RESULTADOS PARA ESTABILIDAD
Profundidad Orientación
65
Acceleration Feedback Controller - III 
● RESULTADOS PARA SEGUIMIENTO
Profundidad Orientación
66
Feedback Linearisation Controller - I
● El control por realimentación de la linealización o también 
conocido en la robótica como control de par calculado. 
● Teniendo el modelo en una forma canónicamente controlable se 
desea llevar la derivada del estado de mayor orden a una 
dinámica deseada.
● Convergencia del controlador se evalúa por el teorema de 
Barbalat
67
Feedback Linearisation Controller - II
● RESULTADOS PARA ESTABILIDAD
Profundidad Orientación
68
Feedback Linearisation Controller - III
● RESULTADOS PARA SEGUIMIENTO
Profundidad Orientación
69
Sliding Mode Control - I
● Controlador ampliamente usado en sistemas no lineales. 
● Su funcionamiento se basa en llevar la dinámica del sistema a 
una representación geométrica conocida, superficie de 
deslizamiento
● El controlador tiene que cambiar su estructura de acuerdo a la 
fase que se encuentre.
70
Sliding Mode Control - II
● RESULTADOS PARA ESTABILIDAD
Profundidad Orientación
71
Sliding Mode Control - III
● RESULTADOS PARA SEGUIMIENTO
Profundidad Orientación
72
Control Geométrico - I
● La formulación del control geométrico se basa en la proyección 
de un vector deseado de orientación al ser comparado con el 
vector actual del robot.
● Esta comparación se puede hacer de forma directa, sin embargo 
la relación que existe con la orientación del mismo no lo es 
debido a que 
● Una manera general de ver esta relación es 
● Para hacer la transformación se usa el operador hat(^) y el 
operador vee(⋁), operadores más usados en el álgebra 
geométrica
73
Control Geométrico - II
● La formulación del controlador está dada por la obtención de la 
proyección de la orientación del robot
74
Control Geométrico - III
● Se puede representar un esquema de controlador aproximado de 
acuerdo
● El esquema no necesita modelos desacoplados, solo basta con 
unos parámetros del sistema en general.
75
Control Geométrico - IV
● RESULTADOS PARA ESTABILIDAD
Profundidad Orientación
76
Control Geométrico - V
● RESULTADOS PARA SEGUIMIENTO
Profundidad Orientación
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Errores
● En la tabla de arriba se pueden visualizar 
los errores generados por las pruebas de 
perturbación del sistema.
● Esta prueba logra determinar la robustez 
respecto a otros controladores probados 
en los experimentos.
● En la tabla inferior están visibles los 
resultados para el seguimiento de 
trayectorias.
● Los valores aquí visualizados permiten 
inferir que tan capaz es el robot, usando 
cada uno de los controles, de seguir unos 
valores para cada coordenada asignada 
al mismo.
MUCHAS GRACIAS
POR SU ATENCIÓN
Juan Sebastian Cely Gutierrez
Ph.D. en Automática y Robótica
Profesor Ayudante Doctor
juan.cely@urjc.es
https://juanscelyg.github.io
Fuenlabrada, Madrid, España
mailto:juan.cely@urjc.es
https://juanscelyg.github.io/
MECATRÓNICA EN UN 
PROYECTO REAL
Asignatura: Mecatrónica
Grado en Ingeniería de Robótica SoftwarePARTE IV :
SOFTWARE Y APLICACIONES
Prof. Juan Sebastián Cely Gutierrez Fecha: 2023/2024
7. ARQUITECTURA 
DE SOFTWARE
Imagen de la forma como se trabajaba 
con el robot en el tanque de pruebas
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Estructura Interna
● La estructura de software está basada en ROS 1, por lo que fue 
creado un paquete donde se encuentra el software del robot.
● Algunos elementos como sensores y la comunicación con el 
autopiloto tienen paquetes externos al realizado para el robot.
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Simulación en Gazebo y RViz
a) Simulación del robot con garra usando Gazebo 
b) Simulación del robot con un gancho usando Gazebo 
c) Visualización usando Rviz 
83
Conección Externa a ROS
● Para conectarse a la red de ROS se usaron diferentes 
conexiones a través de “bridges”, esto permitía tener una 
comunicación externa con elementos que no pertenecen de 
forma nativa al ecosistema ROS.
84
Operación del Robot
● La puesta ne marcha del robot podía realizarse a través la 
terminal, y usando los componentes de control de Simulink. 
Esto permitía desde un elemento externo de ROS, el control 
del agente.
85
Simulación Númerica
No Lineal Linealizado por VPC
Desacoplado Desacoplado Matricial
Para determinados casos el 
conocimiento del 
comportamiento dinámico a 
partir de simulación numérica 
permite hacer una análisis sin 
la suficiente carga 
computacional que requiere 
una simulación con 
componentes gráficos. 
En este caso se hace el 
análisis de diversos modelos 
propuestos para hacer análisis 
dinámico del comportamiento 
del robot en el agua. Estos 
modelos permitían proponer 
esquemas de control que no 
son propiamente conocidos sin 
el modelo dinámico.
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Interfaz Web
Visualización 
de la pose
Imagen de la 
cámara
Datos de 
sonar
Configuración 
del servidor
Pruebas de 
motores
Configuración 
del control
Aunque el robot puede ser 
controlado desde la terminal. 
Se ha diseñado una interfaz 
web que permite hacer una 
interacción gráfica con el robot, 
esto es posible haciendo uso 
del un brigde de ROS para la 
conexión web.
87
Casos de Uso - I
● Para el de la web App podremos interactuar con el robot en 
diversos modos. Su estructura está dividida en cuatro paquetes 
básicos y un paquete especial de configuración.
● Desde la página web se pueden hacer validaciones básicas de 
funcionamiento, como también accionar el comportamiento del 
robot.
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Casos de Uso - II
● La interacción con la garra es posible también por el usuario.
● El robot por si solo no puede accionar la garra. El usuario tiene la 
potestad de abrir/cerrar la garra o bajar/subir el brazo. 
● Para lograr este proceso se determino dejar el brazo como un 
agente independiente, el cual tiene una estructura de software 
diferente.
8. VALIDACIONES
Imagen de una de las pruebas de 
recolección de objetos realizadas en el 
tanque de pruebas.
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Usando un gancho - I
● Se hizo una aproximación del uso de un gancho para recoger la botella en la piscina del 
laboratorio. Para ello la metodología utilizada contemplaba tres escenarios: 
a) El robot desde una posición de estabilidad 
b) Se hace una aproximación usando un mando para controlar el robot, la realimentación al piloto 
es visual por cámaras a bordo 
c) Se pilota el robot de tal manera que se pueda hacer un recorrido con la botella como carga. 
Mando 
operado por el 
piloto
Estación en 
tierra
91
Usando un gancho - II
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Agarrar Objetos con la Garra
● Al hace uso de la garra, la geometría de los objetos a recoger es 
más amplia.
● El experimento consistió en cuatro etapas.
1) El robot estabilizado
2) Aproximación y captura del objeto con la garra usando realimentación 
visual con las cámaras a bordo para el piloto
3) Elevación del robota una profundidad prudente
4) Liberación del objeto. 
Mando operado 
por el piloto
Estación en 
tierra
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Agarrando una Esfera
J. S. Cely, M. Á. Pérez Bayas, M. Carpio, C. E. García Cena, A. Sintov, y R. Saltaren, «Control Strategy of an 
Underactuated Underwater Drone-Shape Robot for Grasping Tasks», Sensors, vol. 22, n.o 22, Art. n.o 22, ene. 2022
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Agarrando una Botella
J. S. Cely, M. Á. Pérez Bayas, M. Carpio, C. E. García Cena, A. Sintov, y R. Saltaren, «Control Strategy of an 
Underactuated Underwater Drone-Shape Robot for Grasping Tasks», Sensors, vol. 22, n.o 22, Art. n.o 22, ene. 2022
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Agarrando una Planta
J. S. Cely, M. Á. Pérez Bayas, M. Carpio, C. E. García Cena, A. Sintov, y R. Saltaren, «Control Strategy of an 
Underactuated Underwater Drone-Shape Robot for Grasping Tasks», Sensors, vol. 22, n.o 22, Art. n.o 22, ene. 2022
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Trabajos Futuros
● Dotarles de mejores y mayores capacidades de movilidad, como implementando 
patas al robot, trabajo inscrito en el proyecto LegSub PGC2018-095939-B-I00.
● A partir del desarrollo de esta tesis se desarrollan dos grandes áreas, donde se 
pueden concentrar esfuerzos. 
● La primera es mejorar los componentes técnicos que generaron conflictos y se detectaron en 
las pruebas de manipulación.
● Electrónica de Potencia, fuentes de alimentación
● Señales de sensores y capacidad de computo
● La segunda es en el manejo del tipo de controladores para estás aplicaciones y poder realizar 
trayectorias optimas.
● Estabilidad
● Robustez 
● Tiempos de estabilización
● Teniendo mejores estrategias de control se puede plantear la generación optima 
de trayectorias a partir del uso eficiente basado en el modelo y con ello tener en 
cuenta estados de orden superior.
MUCHAS GRACIAS
POR SU ATENCIÓN
Juan Sebastian Cely Gutierrez
Ph.D. en Automática y Robótica
Profesor Ayudante Doctor
juan.cely@urjc.es
https://juanscelyg.github.io
Fuenlabrada, Madrid, España
mailto:juan.cely@urjc.es
https://juanscelyg.github.io/
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